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  <title>『操作系统』酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！” - Chiam 的个人主页</title>

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            <h1 id="seo-header">『操作系统』酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”</h1>
            
            
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                <h1 id="『操作系统』酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”"><a href="#『操作系统』酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”" class="headerlink" title="『操作系统』酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”"></a>『操作系统』酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”</h1><h1 id="OS-酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”"><a href="#OS-酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”" class="headerlink" title="OS 酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”"></a>OS 酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”</h1><h2 id=""><a href="#" class="headerlink" title=""></a><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/53f56a2a6acca267509306fe393d7130.png" srcset="/img/loading.gif" lazyload></h2><h2 id="操作系统–虚页面管理之页面置换算法"><a href="#操作系统–虚页面管理之页面置换算法" class="headerlink" title="操作系统–虚页面管理之页面置换算法"></a>操作系统–虚页面管理之页面置换算法</h2><p>系统的内存并不是无限大，操作系统会为每个程序分配内存，当访问的地址块不在内存中，就要从外存（即硬盘，U 盘等）调入，这就是所说的缺页异常。</p>
<p>当发生缺页异常时，操作系统会选择一个页面进行换出从而为新进来的页面腾出空间。对于被置换的页面有以下情况：</p>
<ol>
<li><p>如果要被换出的页面只被访问而没被修改，那么直接将此页面丢弃。</p>
</li>
<li><p>如果要被换出的页面被修改，那么为了使得外存中的数据保证正确，先要将内存中的数据写入外存，然后在丢弃。</p>
</li>
</ol>
<p>虽然，被置换页面的可以随机选择，但是不同的选择，所导致后续系统访存开销是不一样，甚至会出现很极端的情况，每次访存都发生缺页中断，极大的增加系统额外的访存开销。</p>
<p>很多的页面置换算法被提出用于操作系统，但是在其他各类应用，无论是数学还是经济学都有类似的涉猎，今天我们就来讨论一下这些算法。</p>
<h2 id="OPT-算法（最佳置换算法）"><a href="#OPT-算法（最佳置换算法）" class="headerlink" title="OPT 算法（最佳置换算法）"></a>OPT 算法（最佳置换算法）</h2><p><strong>算法特点：</strong></p>
<p>最佳置换算法是由 <strong>Belady</strong> 于 1966 年提出的一种理论上的算法。每次选择以后永不使用的， 或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面的页面被淘汰。显然 OPT 算法是最优的，但是在实际操作往往无法预知未来，所以 OPT 只存在理论而不能真的实现，通常用于衡量其他置换算法的优劣。</p>
<p><strong>算法流程：</strong></p>
<p>在缺页中断发生时，首先从 <em>主存</em>中移出永远不再需要的页面；如无这样的页面存在，则选择最长时间不需要访问的页面。</p>
<p>举例如下：</p>
<p><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/5456d2fc4a315e0ef87d94ffdcbe0337.png" srcset="/img/loading.gif" lazyload></p>
<p>缺页 9 次，总访问次数 12 次缺页率：6&#x2F;12 &#x3D; 50%</p>
<h2 id="FIFO-算法（先进先出置换算法）"><a href="#FIFO-算法（先进先出置换算法）" class="headerlink" title="FIFO 算法（先进先出置换算法）"></a>FIFO 算法（先进先出置换算法）</h2><h3 id="Belady-异常："><a href="#Belady-异常：" class="headerlink" title="Belady 异常："></a>Belady 异常：</h3><p>采用 FIFO 算法时，如果对一个进程未分配它所要求的全部页面，有时就会出现分配的页面数增多但缺页率反而提高的异常现象。</p>
<p><strong>实现方法：</strong></p>
<p>最简单的页面置换算法，每次淘汰最先调入内存的页面。由操作系统维护一个所有在当前内存中的页面的链表，最早进入的放在表头，最新进入的页面放在表尾，每次淘汰队首页面。因为先进入的页面可能已经使用完毕，所以不会再被使用的概率可能性较大，优先淘汰。但是 FIFO 容易产生 Belady 异常。</p>
<p>该算法实现比较简单，对具有线性顺序访问的程序比较合适，而对其他情况效率不高。因为经常被访问的页面，往往在内存中停留最久，结果这些常用的页面却因变老而被淘汰。</p>
<h3 id="举例如下："><a href="#举例如下：" class="headerlink" title="举例如下："></a>举例如下：</h3><p><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/dda9741258fa156c5bbf937620c2f30b.png" srcset="/img/loading.gif" lazyload></p>
<p>缺页 9 次，总访问次数 12 次缺页率：9&#x2F;12 &#x3D; 75%</p>
<h2 id="LRU-算法-最近最久未使用算法"><a href="#LRU-算法-最近最久未使用算法" class="headerlink" title="LRU 算法 (最近最久未使用算法)"></a>LRU 算法 (最近最久未使用算法)</h2><p>利用局部性原理，根据一个作业在执行过程中过去的页面访问&#x3D;&#x3D;历史来推测未来&#x3D;&#x3D;的行为。它认为过去一段时间里不曾被访问过的页面，在最近的将来可能也不会再被访问。所以，这种算法的实质是：当<strong>需要淘汰一个页面时，总是选择在最近一段时间内最久不用的页面予以淘汰</strong>。 即淘汰最近最长时间未访问过的页面。</p>
<p>LRU 置换算法的硬件支持</p>
<ul>
<li><p><strong>寄存器</strong>为每个在内存中的页面配置一个移位寄存器，用来记录某进程在内存中各页的使用情况。移位寄存器表示为 R&#x3D;Rn-1Rn-2Rn-3…R2R1R0 当进程访问某物理块时，要将相应寄存器的 Rn-1 位置成 1;同时，每隔一定时间将寄存器右移一位；如果把 n 位寄存器的数看作一个整数，那么具有最小数值的寄存器所对应的页面，就是最近最久未使用的页面。</p>
</li>
<li><p><strong>栈</strong>利用一个特殊的栈来保存当前使用的各个页面的页面号。每当进程访问某页面时，便将该页面的页面号从栈中移出，将它压入栈顶。因此，<strong>栈顶始终是最新被访问页面的编号，而栈底则是最近最久未使用页面的页面号</strong>。</p>
</li>
</ul>
<h3 id="举例如下：-1"><a href="#举例如下：-1" class="headerlink" title="举例如下："></a>举例如下：</h3><p><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/9f9016dff1de7cb157484a1977af406e.png" srcset="/img/loading.gif" lazyload></p>
<p>缺页 7 次，总访问次数 12 次缺页率：7&#x2F;12 &#x3D; 58.3%</p>
<p>实际上，LRU 算法根据各页以前的情况，是“向前看”的，而最佳置换算法则根据各页以后的使用情况，是“向后看”的。<strong>LRU 性能较好，但需要寄存器和栈的硬件支持</strong>。</p>
<p>LRU 是堆栈类的算法。理论上可以证明，堆栈类算法不可能出现 Belady 异常。</p>
<p>FIFO 算法基于队列实现，不是堆栈类算法。</p>
<p><strong>LRU 算法的性能接近于 OPT，但是实现起来比较困难，且开销大；FIFO 算法实现简单，但性能差。</strong></p>
<h2 id="Clock-算法（时钟置换算法）"><a href="#Clock-算法（时钟置换算法）" class="headerlink" title="Clock 算法（时钟置换算法）"></a>Clock 算法（时钟置换算法）</h2><p>也称为 NRU 算法（最近未使用算法）是 LRU 和 FIFO 的折中算法。</p>
<p><strong>实现：</strong>CLOCK 算法是给每一个页面设置一个访问位，用来标识是否最近被访问过，Clock 维护的是内存中页面组成的循环链表。当页面被装入内存时，或是内存中的页面被访问时，访问位被置为 1。若内存已被装满，那就需要淘汰一个页面，于是指针就从上一个被淘汰的页面的下一个位置开始，顺序去遍历这循环列表，访问到访问位为 1 的页面时，就把该访问位置 0，继续遍历，只要遇到访问位为 0 的页面时，淘汰该页面。其实调入内存也是访问，那么上面就变成了：</p>
<ol>
<li><p>访问则置 1</p>
</li>
<li><p>替换则遍历</p>
</li>
<li><p>遍历遇 1 置 0，遇 0 替换。</p>
</li>
<li><p><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/211e6463e3976155257103f7bc8da3d1.png" srcset="/img/loading.gif" lazyload></p>
</li>
</ol>
<h3 id="举例如下：-2"><a href="#举例如下：-2" class="headerlink" title="举例如下："></a>举例如下：</h3><p>内存中共分配 3 个页面资源</p>
<p><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/2501f1da01a3f40a0c445806db3da503.png" srcset="/img/loading.gif" lazyload></p>
<h2 id="改进后的-Clock-算法-二次机会法）"><a href="#改进后的-Clock-算法-二次机会法）" class="headerlink" title="改进后的 Clock 算法(二次机会法）"></a>改进后的 Clock 算法(二次机会法）</h2><p>由 访问位 A 和 修改位 M 可以组合成下面四种类型的页面：</p>
<ol>
<li><p>最近既未被访问，又未被修改(Visit&#x3D;0, Modify&#x3D;0) ：是最佳淘汰页。</p>
</li>
<li><p>最近未被访问，但已被修改(Visit&#x3D;0, Modify&#x3D;1)：并不是很好的淘汰页。</p>
</li>
<li><p>最近已被访问， 但未被修改(Visit&#x3D;1, Modify&#x3D;0)：该页有可能再被访问。</p>
</li>
<li><p>最近已被访问且被修改(Visit&#x3D;1, Modify&#x3D;1)：该页可能再被访问。</p>
</li>
</ol>
<p><strong>执行过程：</strong>5. 查找 00，有，淘汰，算法结束！继续循环直到一圈结束，未找到则下一步；6. 查找 01，有，淘汰，算法结束！未找到继续循环遍历直到一圈结束，在此过程中将 Visit 位置为“0”，未找到则下一步；7. 重复第一步。</p>
<p>优点：减少磁盘 I&#x2F;O；缺点：几轮扫描，增加开销！</p>

                
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  <a href="/categories/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F/" class="category-chain-item">操作系统</a>
  
  

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    <div class="license-title">
      <div>『操作系统』酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”</div>
      <div>http://example.com/2023/12/06/『操作系统』酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”/</div>
    </div>
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        <div class="license-meta-item">
          <div>作者</div>
          <div>Chiam</div>
        </div>
      
      
        <div class="license-meta-item license-meta-date">
          <div>发布于</div>
          <div>2023年12月6日</div>
        </div>
      
      
      
        <div class="license-meta-item">
          <div>许可协议</div>
          <div>
            
              
              
                <a class="print-no-link" target="_blank" href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
                  <span class="hint--top hint--rounded" aria-label="BY - 署名">
                    <i class="iconfont icon-by"></i>
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                </a>
              
            
          </div>
        </div>
      
    </div>
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                      <a href="/2023/12/06/%E3%80%8E%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%BA%93%E3%80%8F%20E-R%E5%9B%BE%EF%BC%88%E5%AE%9E%E4%BD%93%E8%81%94%E7%B3%BB%E5%9B%BE%EF%BC%89%E4%BD%A0%E9%83%BD%E4%B8%8D%E4%BC%9A%EF%BC%8C%E4%BD%A0%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E4%BB%80%E4%B9%88%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%BA%93%EF%BC%9F/" title="『数据库』 E-R图（实体联系图）你都不会，你设计什么数据库？">
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                        <span class="hidden-mobile">『数据库』 E-R图（实体联系图）你都不会，你设计什么数据库？</span>
                        <span class="visible-mobile">上一篇</span>
                      </a>
                    
                  </article>
                  <article class="post-next col-6">
                    
                    
                      <a href="/2023/12/06/%E3%80%8E%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E3%80%8F%E9%83%A8%E5%88%86%E7%AE%80%E7%AD%94%E9%A2%98%E7%9B%AE/" title="『操作系统』部分简答题目">
                        <span class="hidden-mobile">『操作系统』部分简答题目</span>
                        <span class="visible-mobile">下一篇</span>
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                      </a>
                    
                  </article>
                </div>
              
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    <article id="comments" lazyload>
      
  <div id="valine"></div>
  <script type="text/javascript">
    Fluid.utils.loadComments('#valine', function() {
      Fluid.utils.createScript('https://lib.baomitu.com/valine/1.5.1/Valine.min.js', function() {
        var options = Object.assign(
          {"appId":"fIfc7WqUDZohlQuPc2lz5mJy-MdYXbMMI","appKey":"zjlAG3ZA3o4cBHVAkjzc2Z20","path":"window.location.pathname","placeholder":"留言仅限讨论，禁止广告等行为","avatar":"retro","meta":["nick","mail","link"],"requiredFields":[],"pageSize":10,"lang":"zh-CN","highlight":false,"recordIP":false,"serverURLs":"https://fifc7wqu.api.lncldglobal.com","emojiCDN":null,"emojiMaps":null,"enableQQ":false},
          {
            el: "#valine",
            path: window.location.pathname
          }
        )
        new Valine(options);
        Fluid.utils.waitElementVisible('#valine .vcontent', () => {
          var imgSelector = '#valine .vcontent img:not(.vemoji)';
          Fluid.plugins.imageCaption(imgSelector);
          Fluid.plugins.fancyBox(imgSelector);
        })
      });
    });
  </script>
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    </article>
  


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  <p class="toc-header">
    <i class="iconfont icon-list"></i>
    <span>目录</span>
  </p>
  <div class="toc-body" id="toc-body"></div>
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  </aside>


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        <i class="iconfont icon-arrowup" aria-hidden="true"></i>
      </a>
    

    
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     aria-hidden="true">
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        <h4 class="modal-title w-100 font-weight-bold">搜索</h4>
        <button type="button" id="local-search-close" class="close" data-dismiss="modal" aria-label="Close">
          <span aria-hidden="true">&times;</span>
        </button>
      </div>
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        </div>
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    </div>
  
  
  
  
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  <!-- Scripts -->
  
  <script  src="https://lib.baomitu.com/nprogress/0.2.0/nprogress.min.js" ></script>
  <link  rel="stylesheet" href="https://lib.baomitu.com/nprogress/0.2.0/nprogress.min.css" />

  <script>
    NProgress.configure({"showSpinner":false,"trickleSpeed":100})
    NProgress.start()
    window.addEventListener('load', function() {
      NProgress.done();
    })
  </script>


<script  src="https://lib.baomitu.com/jquery/3.6.4/jquery.min.js" ></script>
<script  src="https://lib.baomitu.com/twitter-bootstrap/4.6.1/js/bootstrap.min.js" ></script>
<script  src="/js/events.js" ></script>
<script  src="/js/plugins.js" ></script>


  <script  src="https://lib.baomitu.com/typed.js/2.0.12/typed.min.js" ></script>
  <script>
    (function (window, document) {
      var typing = Fluid.plugins.typing;
      var subtitle = document.getElementById('subtitle');
      if (!subtitle || !typing) {
        return;
      }
      var text = subtitle.getAttribute('data-typed-text');
      
        typing(text);
      
    })(window, document);
  </script>




  
    <script  src="/js/img-lazyload.js" ></script>
  




  
<script>
  Fluid.utils.createScript('https://lib.baomitu.com/tocbot/4.20.1/tocbot.min.js', function() {
    var toc = jQuery('#toc');
    if (toc.length === 0 || !window.tocbot) { return; }
    var boardCtn = jQuery('#board-ctn');
    var boardTop = boardCtn.offset().top;

    window.tocbot.init(Object.assign({
      tocSelector     : '#toc-body',
      contentSelector : '.markdown-body',
      linkClass       : 'tocbot-link',
      activeLinkClass : 'tocbot-active-link',
      listClass       : 'tocbot-list',
      isCollapsedClass: 'tocbot-is-collapsed',
      collapsibleClass: 'tocbot-is-collapsible',
      scrollSmooth    : true,
      includeTitleTags: true,
      headingsOffset  : -boardTop,
    }, CONFIG.toc));
    if (toc.find('.toc-list-item').length > 0) {
      toc.css('visibility', 'visible');
    }

    Fluid.events.registerRefreshCallback(function() {
      if ('tocbot' in window) {
        tocbot.refresh();
        var toc = jQuery('#toc');
        if (toc.length === 0 || !tocbot) {
          return;
        }
        if (toc.find('.toc-list-item').length > 0) {
          toc.css('visibility', 'visible');
        }
      }
    });
  });
</script>


  <script src=https://lib.baomitu.com/clipboard.js/2.0.11/clipboard.min.js></script>

  <script>Fluid.plugins.codeWidget();</script>


  
<script>
  Fluid.utils.createScript('https://lib.baomitu.com/anchor-js/4.3.1/anchor.min.js', function() {
    window.anchors.options = {
      placement: CONFIG.anchorjs.placement,
      visible  : CONFIG.anchorjs.visible
    };
    if (CONFIG.anchorjs.icon) {
      window.anchors.options.icon = CONFIG.anchorjs.icon;
    }
    var el = (CONFIG.anchorjs.element || 'h1,h2,h3,h4,h5,h6').split(',');
    var res = [];
    for (var item of el) {
      res.push('.markdown-body > ' + item.trim());
    }
    if (CONFIG.anchorjs.placement === 'left') {
      window.anchors.options.class = 'anchorjs-link-left';
    }
    window.anchors.add(res.join(', '));

    Fluid.events.registerRefreshCallback(function() {
      if ('anchors' in window) {
        anchors.removeAll();
        var el = (CONFIG.anchorjs.element || 'h1,h2,h3,h4,h5,h6').split(',');
        var res = [];
        for (var item of el) {
          res.push('.markdown-body > ' + item.trim());
        }
        if (CONFIG.anchorjs.placement === 'left') {
          anchors.options.class = 'anchorjs-link-left';
        }
        anchors.add(res.join(', '));
      }
    });
  });
</script>


  
<script>
  Fluid.utils.createScript('https://lib.baomitu.com/fancybox/3.5.7/jquery.fancybox.min.js', function() {
    Fluid.plugins.fancyBox();
  });
</script>


  <script>Fluid.plugins.imageCaption();</script>

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<!-- the boot of the theme, keep it at the bottom -->
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